压力容器复合材料反复打压损伤过程研究.pdf

工艺装备 年第 期高科技纤维与应用压力容器复合材料反复打压损伤过程研究孟祥姝 李武胜 胡玉霞 吴晓岚(核工业理化工程研究院 天津)摘 要:基于声发射技术、射线三维成像技术及水压反复打压实验重点探究了压力容器复材筒力学性能薄弱区域及主要破坏形式 利用振铃次数与时间的关系及能量与时间的关系分析材料损伤过程 利用声程定位损伤部位 利用 效应及 比判断材料损伤程度 利用反复打压实验前后 射线三维成像技术探究缺陷扩展形式 利用声信号特征参数判断损伤类型 研究结果表明 焊缝及孔隙为主要力学性能薄弱区域 加压过程首先出现界面开裂及环氧树脂/上浆剂破损 高模碳纤维断裂为次要损伤几乎无界面剪切应力破损及高强碳纤维断裂 反复加压过程损伤逐渐加剧 力学性能有下降趋势关键词:压力容器 复合材料 声发射 损伤中图分类号:文献标识码:文章编号:()作者简介:孟祥姝()硕士 主要从事碳纤维及其复合材料性能研究 及复合材料无损检测技术研究等相关科研工作 电子邮箱 ():./.工艺装备 高科技纤维与应用 年第 期 .:引言复合材料为压力容器的主要结构材料 内压状态下复合材料的损伤断裂会引起严重的经济及人员损伤 因此明确内压状态下复合材料中缺陷产生及扩展状态是设计改进和运行可靠性提升的前提条件复合材料内部存在孔隙的现象难以避免 由于高压下压力容器对材料性能的要求较高 筒体内部较大尺寸的孔隙有可能成为复材筒体薄弱位置 除此之外 筒体内部铝箔焊缝位置会造成筒体应力集中 焊缝部位的纤维起伏也会在一定程度上加重该部位的应力集中现象 压力容器服役过程中以上部位均有可能出现缺陷扩展导致材料损伤 复合材料结构较复杂 力学性能由基体材料、增强材料及界面共同作用决定 因此 确定应力作用下以上三者分别的破坏情况有助于复合材料性能提升研究的进行 试验部分 实验材料压力容器用复合材料筒 筒体结构为高强碳纤维纯环向缠绕及高模碳纤维角度层缠绕交叉排布 筒厚为 实验思路用 射线三维成像技术对筒体进行全面扫查并标记出力学性能薄弱区域 确定缺陷形貌及尺寸 采用水压爆破反复加压试验模拟压力容器服役过程中应力状态 采用声发射技术采集损伤信号 探头分别铺设于焊缝附近、含较大缺陷部位及材料致密部位 通过信号分析与参数分析方法分析材料损伤时间轴、损伤位置及损伤机理 对反复加压试验后筒体进行二次 射线三维成像技术测试 重点测试探头铺设位置 结合以上分析结果确定材料损伤状态 实验现象及数据分析 一次 射线三维成像技术测试将筒体沿轴向等分为 部分 射线三维成像技术重点对 及 部分进行扫查 扫查过程确定较大尺寸孔隙所在位置并进行了标记 如图 所示为筒体旋转 剖开图&4U U&4KDUKDU&4E图 、区域筒体局部扫查区域定位图 反复加压试验声发射信号分析为模拟压力容器服役过程应力状态 应加压至材料环向应变 即应力 考虑实验台保压能力 试验保压 后快速卸载 以此反复三次 完成三次加压卸载过程 实验过程中各声发射探头所采集到的数据如图、图 所示如图、图 所示 在压力到达 之前几 工艺装备 年第 期高科技纤维与应用.1 BU3U0KDU0KDU0 U0 U&4KDU&4 KTI图 第一次加压振铃 时间图图 第一次加压能量 时间图乎无声发射现象发生 压力达到 左右 筒体所有位置几乎同时发生声发射现象 继续增压声发射现象持续 焊缝区附近孔隙较大区域声发射现象最多 焊缝区正常区域声发射现象发生次数与筒体其他区域差异不大 即焊缝区附近较大孔隙对材料劣化影响显著 其他区域较大孔隙对材料亦存在劣化影响 但影响相对不大 直至升压结束 声发射现象停止大幅上升 保压阶段仍有少量声发射现象发生 其中保压末期出现一个瞬时能量释放 推测为裂纹扩展信号 深入分析信号原始数据 发现该瞬时能量来自于 号探头即含有较大孔隙的非焊缝区域如图、图 所示 第二次升压过程筒体无明显声发射现象 升压到 开始有声发射现象发生 保压初期声发射现象急剧上升 随着保压时间各通道接收到的声发射信号逐渐减少 说明 为当前材料会产生损伤的临界压力 材料符合 效应 在一次加载过程中材料并未受到严重损伤 拥有稳定的力学性能 第二次加压过程中 焊缝区较大孔隙区域声发射信号明显低于其他区域 说明该区域缺陷在一次加压过程中能量释放较彻底如图、图 所示 第三次升压过程中 声发射信号主要产生在 及 保压工艺装备 高科技纤维与应用 年第 期 IU3U0KDU0KDU0 U0 U&4KDU&4 KT.1 B图 第二次加压振铃 时间图图 第二次加压能量 时间图U3U0KDU0KDU0 U0 U&4KDU&4 KTI.1 B图 第三次加压振铃 时间图 工艺装备 年第 期高科技纤维与应用图 第三次加压能量 时间图前期 这符合 效应 比约为 小于 说明在第二次加载保压过程中 原损伤继续扩展 且有新的损伤在其他地方产生 在加载前期和中期 大部分损伤是基体和界面开裂损伤 当这些损伤充分发展后 复合材料结构基本上仅剩碳纤维承担载荷 因而理论上刚度会有所增 加 第 三 次 加 载 过 程 中 比 小 于 标志着试样开始进入较严重损伤阶段 加载保压过程中 机体和界面损伤愈加严重 使得复合材料的复合效应越加退化 第二次卸载进行第三次重新加载时 纤维之间的协调效应已一定程度上降低 因此材料力学性能出现下降趋势 二次 射线三维成像技术结果分析对孔隙较大区域 中所有孔隙数量、尺寸进行统计分析 在反复加压水压实验前后 该区域小尺寸孔隙频数下降 大尺寸孔隙频数上升 打压试验后孔隙频数总和较实验前有下降 复合材料中孔隙不可能闭合 还可能会有新孔隙产生但孔隙频数下降 推测加压试验过程中孔隙扩展使部分孔隙互相连通导致以上现象 本研究定义加压后孔隙减少的数量与加压前数量的比值为孔隙连通率 定义加压前后孔隙率增长值与加压前孔隙率比值为孔隙率增长率 该区域孔隙连通率不低于 孔隙率增长率为 该区域加压前后孔隙扩展方向为随筒体轴向及环向随机扩展根据以上分析过程分别对其他重点监测区域进行分析:孔隙扩展方向为各方向随机扩展 焊缝附近缺陷经历加压阶段 缺陷拓展情况远远大于非焊缝区域 存在较大孔隙的非焊缝区域亦存在一定的劣化现象 筒体损伤形式分析根据第一次加压试验中声发射信号绘制六通道信号对照图(图)根据相关文献 汇总声发射信号特征参数见表 由图 可见 加压过程中首先出现声发射信号的为孔隙较大区域及焊缝区孔隙较大区域 但从开始加压至 之前 各通道信号幅度均低于 结合表 可知 该阶段材料未出现损伤 声发射信号可能来自材料内部或材料与夹具之间的摩擦 根据相关文献 碳纤维增强塑工艺装备 高科技纤维与应用 年第 期 料剥离破坏时声发射频率()最大振幅为 结合图 内压超过 时复材出现界面开裂损伤 基体破坏时声发射频率最大振幅为 内压加载至 时 复材内部开始出现环氧树脂破损 且该破坏形式持续出现 直至加压结束 图 中最高频率约为 低于高强纤维断裂特征幅度最小值 即加压及保压全程中高强碳纤维未发生断裂情况 其他损伤情况均有可能发生 需进一步分析 保压阶段初期工件内部有声发射信号出现 保压 后材料未出现新的损伤图 第一次加压过程六通道信号对照图表 压力容器复合材料声发射信号特征参数损伤方式幅度/峰值频率/能量/持续时间/振铃计数上升时间/环氧树脂/上浆剂破损 高强纤维断裂 高模纤维断裂 铝材损伤 界面剪应力/树脂/树脂 界面开裂/树脂/树脂 行业内公认碳/环氧树脂表面分层、脱粘等基体的宏观裂纹扩展 产生长时间的持续信号 其界限定为 对产生实质性缺陷的阶段信号进行筛选 汇总后如图 所示 可见损伤的全过程中 复合材料筒表面分层、脱粘等基体的宏观裂纹扩展持续发生同理 对第二、第三次加压过程进行以上分析 绘制信号统计图如图、图 所示 工艺装备 年第 期高科技纤维与应用图 信号持续时间分析图图 第二次加压过程六通道信号对照图图 第三次加压过程六通道信号对照图工艺装备 高科技纤维与应用 年第 期 分析图、图 可知 复合材料在反复打压过程中主要损伤形式为界面开裂及环氧树脂/上浆剂破损 高强碳纤维断裂为次要损伤 几乎未出现界面剪切应力破损及高强碳纤维断裂信号 第二次加压过程中接近 时材料内部出现材料损伤信号 保压 后损伤信号逐渐消失 材料趋于稳定 第三次打压过程中压力达到 附近材料出现损伤信号 即第二次加载保压过程中 损伤继续发展 且有新的损伤产生 第三次保压 后损伤信号消失 材料趋于稳定 结论通过以上分析 得出以下结论:()压力容器复合材料力学性能最为薄弱区域为焊缝附近孔隙较大区域 其次为非焊缝区孔隙较大区域 较大尺寸的孔隙为复合材料力学性能提升的主要障碍()内压低于 材料几乎不产生损伤内压 时 复合材料界面开裂及环氧树脂/上浆剂破损 高模碳纤维断裂为次要损伤 几乎无界面剪切应力破损及高强碳纤维断裂 内压 保压初期复材损伤继续出现 保压 后材料逐渐稳定 几乎无缺陷扩展 整个受力过程缺陷沿各向随机扩展 部分缺陷连通为更大尺寸缺陷 缺陷连通率为 ()反复打压过程中 一次加载试样未受到严重损伤 拥有稳定的力学性能 二次加载保压过程中 损伤继续发展 有新的损伤产生 三次加载试样进入较严重损伤阶段 力学性能有下降趋势参考文献 沈功田耿荣生刘时风 声发射信号的参数分析方法.无损检测 ():赵文政李敏张燕南等 复合材料损伤过程声发射信号聚类分析与压缩变形测量.玻璃钢/复合材料():杨能军姚春江袁晓静等 基于声发射的材料损伤检测技术 北京航空航天大学出版社:():任伍杨 筒材料破损过程声发射研究 核工业理化工程研究院 核工业第八研究所 基于筒体的基础材料声发射特征参数分析 李亚娟周伟刘然等 复合材料型分层损伤演化声发射监测.复合材料型分层损伤演化声发射监测():段登平罗海安刘正兴 纤维缠绕壳体水压试验的声发射技术.宇航学报():论文摘要的撰写要点 应包含论文的要点:研究对象(目的)研究方法(所用的设备、材料等)研究结果和结论 应简短 尽可能删去课题研究的背景信息 出现的数据应该是论文中最重要的数据 不要对自己的研究成果做评价 摘要应脱离原文而独立存在 内容应涵盖正文 不得随意增加对正文起补充或修改作用的内容 需要缩写的名称在第一次出现时要有全称